北航通信电路原理课件ch05-1.ppt

1、Monday,August 01,2022通信电路原理-北航06年1 5.3 LC 振荡器的电路分析振荡器的电路分析5.4 振荡器的频率稳定度振荡器的频率稳定度5.5 晶体振荡器晶体振荡器5.6 负阻振荡器（负阻振荡器（*）5.7 RC 振荡器与开关电容振荡器（振荡器与开关电容振荡器（*）5.8 特殊振荡现象（特殊振荡现象（*）Monday,August 01,2022通信电路原理-北航06年2 （1）振荡器的定义；）振荡器的定义；（2）振荡器的分类；）振荡器的分类；（3）振荡器的应用；）振荡器的应用；（4）振荡器的基本构成；）振荡器的基本构成；（5）振荡器的分析方法。）振荡器的分析方法。3

2、（1）定义：）定义：振荡器是一种不需外加信号激励而能自动将直流振荡器是一种不需外加信号激励而能自动将直流能量变换为周期性交变能量的装置。能量变换为周期性交变能量的装置。（2）分类：）分类：按振荡波形分类：按振荡波形分类：振荡器分为振荡器分为正弦波振荡器正弦波振荡器和非正弦波和非正弦波振荡器。输出波形接近于理想正弦波的称为正弦波振荡器，振荡器。输出波形接近于理想正弦波的称为正弦波振荡器，波形为方波、矩形波等波形的称为非正弦波振荡器。波形为方波、矩形波等波形的称为非正弦波振荡器。按工作机理分类：按工作机理分类：根据产生振荡的机理，正弦振荡器还根据产生振荡的机理，正弦振荡器还可分为可分为反馈振荡器反

3、馈振荡器和负阻振荡器。和负阻振荡器。按选频网络分类按选频网络分类：分为：分为RC振荡器、振荡器、LC振荡器振荡器、晶体振晶体振荡器荡器以及压控振荡器（以及压控振荡器（VCO）、压控晶体振荡器）、压控晶体振荡器（VCXO）等。随着集成技术的发展，相继又出现了集成）等。随着集成技术的发展，相继又出现了集成振荡器、开关电容振荡器等。振荡器、开关电容振荡器等。Monday,August 01,2022通信电路原理-北航06年4 （3）应用：）应用：发射机发射机用它产生载荷信息的用它产生载荷信息的载波信号载波信号；超外差接收机超外差接收机用它产生用它产生本地振荡信号本地振荡信号；电子测量设备电子测量设备

4、和计时仪表用它产生频率和计时仪表用它产生频率基准信号基准信号和和其它通信测量信号其它通信测量信号；工业生产部门和日常生活中广泛应用的高频电加工业生产部门和日常生活中广泛应用的高频电加热设备等（例如：热设备等（例如：微波炉微波炉）。）。Monday,August 01,2022通信电路原理-北航06年5 （4）基本构成：）基本构成：一个由储能元件构成的决定振荡频率的一个由储能元件构成的决定振荡频率的选频网络选频网络；一个具有能量变换（或放大）作用的一个具有能量变换（或放大）作用的换能机构换能机构；一个有助于补充元器件能量损耗和保证振荡器工作稳定一个有助于补充元器件能量损耗和保证振荡器工作稳定的的

5、反馈电路反馈电路；一个对振荡强度具有自动调整作用的一个对振荡强度具有自动调整作用的非线性元件非线性元件。事实上，在晶体管正弦振荡器中，晶体管既起着能量变换的事实上，在晶体管正弦振荡器中，晶体管既起着能量变换的作用，又起着调整和控制振荡强度的非线性作用。作用，又起着调整和控制振荡强度的非线性作用。Monday,August 01,2022通信电路原理-北航06年6 （5）分析方法：）分析方法：由于正弦波振荡器是一个非线性动态网络，要对它进行分析，由于正弦波振荡器是一个非线性动态网络，要对它进行分析，至少需求解一个二阶以上的至少需求解一个二阶以上的非线性微分方程非线性微分方程；求解求解一个二阶以上

6、的非线性微分方程二阶以上的非线性微分方程，需采用需采用CAD方法方法。为便于为便于定性分析定性分析阐明振荡器的振荡特性，本章在进行电路分析阐明振荡器的振荡特性，本章在进行电路分析时，仍采用电路参数的时，仍采用电路参数的准线性分析法准线性分析法和和零极点分析法零极点分析法：在振荡的初始阶段，系统内流通的信号比较微弱，因此，可在振荡的初始阶段，系统内流通的信号比较微弱，因此，可以引用以引用线性系统线性系统的分析方法，来确定这一时期振荡器的工作的分析方法，来确定这一时期振荡器的工作状态；状态；振荡建立后，用振荡建立后，用准线性方法准线性方法（如用平均跨导代替跨导，采（如用平均跨导代替跨导，采用线性方

7、法）分析，获得重要的具有指导意义的结论。用线性方法）分析，获得重要的具有指导意义的结论。Monday,August 01,2022通信电路原理-北航06年7 用用瞬时极性法瞬时极性法进行分析进行分析。（。（P260）LCCLbCeC1bR2bReRCCVBEvCEvMMcibi返回返回Monday,August 01,20228 （返回返回（2）定性分析：）定性分析：在谐振频率处，电路相移是在谐振频率处，电路相移是2n，才满足相位平衡条件；，才满足相位平衡条件；反馈信号足够大，才满足振幅平衡条件；反馈信号足够大，才满足振幅平衡条件；电路的振荡频率近似等于回路的谐振频率。电路的振荡频率近似等于回

8、路的谐振频率。（3）定量分析：）定量分析：相位平衡条件相位平衡条件：nFA2振幅平衡条件振幅平衡条件：1AF电路振荡频率电路振荡频率：1oLCMonday,August 01,2022通信电路原理-北航06年9回答两个问题：回答两个问题：振荡是如何产生的？振荡是如何产生的？振荡又是如何平衡的？振荡又是如何平衡的？从三个角度分析：从三个角度分析：l振荡的产生振荡的产生能量能量和和频谱频谱的角度。的角度。l振荡的平衡振荡的平衡非线性非线性的角度。的角度。分析三个分析三个：。10（P258）LCRoVS12i0ttoeLV)(tiLC谐振回路是谐振回路是LC振荡器的重要组成部分，正弦波振荡器则是振荡

9、器的重要组成部分，正弦波振荡器则是基于二阶基于二阶RLC回路的自由振荡现象。回路的自由振荡现象。考虑了回路损耗后，回路将考虑了回路损耗后，回路将产生振幅衰减的阻尼振荡。产生振幅衰减的阻尼振荡。()sin()tooVi tetL从从能量的角度能量的角度：在回路存在损耗时，适时地补充必要的交变能：在回路存在损耗时，适时地补充必要的交变能量，以维持回路内部的能量平衡。量，以维持回路内部的能量平衡。起振条件：起振条件：AF 1。Monday,August 01,2022通信电路原理-北航06年11（从从频谱的角度频谱的角度：电路接通瞬间振荡是如何产生的？：电路接通瞬间振荡是如何产生的？（P261）0c

10、it0CI电路接通瞬间加于晶体管基极的阶跃输入电压或噪声，包含电路接通瞬间加于晶体管基极的阶跃输入电压或噪声，包含许多谐波分量，谐振回路选择满足相位平衡条件的谐波分量。许多谐波分量，谐振回路选择满足相位平衡条件的谐波分量。AF 1。只要接通电源，系统将由于微小的电冲激而产生只要接通电源，系统将由于微小的电冲激而产生增幅振荡。增幅振荡。从从非线性的角度非线性的角度定性分析：振荡是如何平衡的？定性分析：振荡是如何平衡的？由于由于AF 1，振荡幅度不断增长，晶体管进入非线性区；振荡幅度不断增长，晶体管进入非线性区；是尖顶余弦脉冲，谐振回路选择余弦脉冲基波分量。放是尖顶余弦脉冲，谐振回路选择余弦脉冲基

11、波分量。放大器的放大倍数大器的放大倍数 A 减少。减少。ci0BEvCEvAF=1AF=1，振荡进入平衡。振荡进入平衡。线性反馈特性：线性反馈特性：CEBEVVF 振荡特性曲线：振荡特性曲线：BECEVVA 上图上图Monday,August 01,2022通信电路原理-北航06年13（从从等效电路等效电路角度定量分析：角度定量分析：LbILCMcIbeVceVfViZbIFbeVbIcIceViZoZ从三点分析：从三点分析：晶体管等效电路。晶体管等效电路。振幅平衡条件：振幅平衡条件：1AF相位平衡条件：相位平衡条件：nFA2对于所有的振荡器，得出的振荡平衡条件为：对于所有的振荡器，得出的振荡

12、平衡条件为：()()1ooA jFj()()1()20,1,2oooAFAFnn 14当工作频率较高时，引起回路传输系数和相移的因素是很多的：当工作频率较高时，引起回路传输系数和相移的因素是很多的：晶体管输入阻抗晶体管输入阻抗ijibbeieZIVZ晶体管电流增益晶体管电流增益jbceII谐振回路阻抗谐振回路阻抗反馈参数反馈参数fjcefeFVVFFbeVbIcIceViZoZ振荡平衡条件表示为：振荡平衡条件表示为：1FioZZ()20,1,2ooifnn 上式中，上式中，随频率的变化十分明显。随频率的变化十分明显。o而其余相角随频率变化较缓慢。如令而其余相角随频率变化较缓慢。如令fih则上式

13、为：则上式为：,.2,1,02nnhoojocceoeZIVZ讨论：讨论：（1）振荡器要产生振荡，必须同时满足振荡的起振条件和）振荡器要产生振荡，必须同时满足振荡的起振条件和平衡条件。平衡条件。（2）若有三个假设：）若有三个假设：振荡频率远小于晶体管的截止频率（振荡频率远小于晶体管的截止频率（），），。ff 0晶体管输入阻抗晶体管输入阻抗 是纯阻，是纯阻，。iZ0i反馈回路：反馈回路：。f振荡器工作于振荡器工作于LC并联谐振回路的谐振频率处，并联谐振回路的谐振频率处，。0o振荡器的振荡频率振荡器的振荡频率 =并联谐振回路的谐振频率并联谐振回路的谐振频率 。fof这是理想情况：这是理想情况：,.

14、2,1,02nnhofihMonday,August 01,2022通信电路原理-北航06年16（3）实际情况分析：）实际情况分析：，不是零，不是零，不是不是 。ifof22of1ofhnh20fih1()oohPotgQ 当当 、的数值已知的数值已知时，振荡器的实际振荡频率时，振荡器的实际振荡频率 也就确定了。也就确定了。oh01fpQMonday,August 01,2022通信电路原理-北航06年17 自然界中处于平衡状态的物体都有稳定平衡和不稳定平衡之自然界中处于平衡状态的物体都有稳定平衡和不稳定平衡之区分区分。振荡器进入平衡状态后，假设受到外界的扰动，那么将会破振荡器进入平衡状态后，

15、假设受到外界的扰动，那么将会破坏其原来的平衡状态。坏其原来的平衡状态。干扰消失后，振荡器若能自动恢复到原来的平衡状态，干扰消失后，振荡器若能自动恢复到原来的平衡状态，则称之为是稳定的则称之为是稳定的；否则，称之为是不稳定否则，称之为是不稳定。18振荡的稳定条件包含振幅稳定条件和相位稳定条件；振荡的稳定条件包含振幅稳定条件和相位稳定条件；振幅稳定条件是指振荡器的工作状态在外界各种干扰的作用振幅稳定条件是指振荡器的工作状态在外界各种干扰的作用下（如在电压抖动、温度变化、噪声等作用下）偏离平衡状下（如在电压抖动、温度变化、噪声等作用下）偏离平衡状态时，系统自动恢复到原来的平衡状态所应具备的条件。态时

16、，系统自动恢复到原来的平衡状态所应具备的条件。P0AF1IvP点是一个稳定的平衡点。点是一个稳定的平衡点。平衡点附近振荡特性斜率的变平衡点附近振荡特性斜率的变化应小于反馈线斜率的变化。化应小于反馈线斜率的变化。稳定点的条件为：稳定点的条件为：0PIdvdA19另另从从振荡器的振荡特性讨论：振荡器的振荡特性讨论：P0AIvBIBvIPv1FF1与上图不同，该振荡器晶体管与上图不同，该振荡器晶体管静态工作点位于转移特性接静态工作点位于转移特性接近截止的非线性区。近截止的非线性区。如图所述两平衡点中，只有如图所述两平衡点中，只有P点是稳定的，故常称点是稳定的，故常称P点为点为稳定的平衡点，稳定的平衡

17、点，B点为不稳定点为不稳定的平衡点。的平衡点。这种起振时需要外加冲激的电振荡称为这种起振时需要外加冲激的电振荡称为“硬激励硬激励”，那些不需，那些不需冲冲击而能自由产生振荡的现象称为击而能自由产生振荡的现象称为“软激励软激励”。IBv若要使该振荡器能进入稳定若要使该振荡器能进入稳定的平衡点，在起振时应给晶的平衡点，在起振时应给晶体管加一电冲击，并使冲激体管加一电冲击，并使冲激电压大于电压大于 ，这样自由振，这样自由振荡就可以产生。荡就可以产生。（P265）相位稳定条件是指：当处于平衡状态的系统受到某一外来因素的相位稳定条件是指：当处于平衡状态的系统受到某一外来因素的干扰，相位平衡状态受到破坏，

18、总相移角大于或小于干扰，相位平衡状态受到破坏，总相移角大于或小于 时，时，环路是否具有自动恢复平衡状态重新回到环路是否具有自动恢复平衡状态重新回到 的条件。的条件。n2f222of1ofho系统相位平衡时振荡频率为系统相位平衡时振荡频率为 。1of当外来干扰使环路总相移增加即产当外来干扰使环路总相移增加即产生超前相位增量生超前相位增量+时，这就意味着时，这就意味着反馈电压反馈电压 超前于原有输入电压超前于原有输入电压 （前一次反馈电压）一个相角。（前一次反馈电压）一个相角。fVbeV相位超前就意味着周期缩短，故环相位超前就意味着周期缩短，故环路的振荡频率也因而有所提高，从而路的振荡频率也因而有

19、所提高，从而使回路相移产生一滞后的增量。使回路相移产生一滞后的增量。2ohn n2（P266）21经过若干个周期后，该滞后增量逐渐增加，最终等于外界因经过若干个周期后，该滞后增量逐渐增加，最终等于外界因素引起的超前增量素引起的超前增量+时，使环路总相移重新恢复：时，使环路总相移重新恢复：n2由以上分析可知，具有如上图所示由以上分析可知，具有如上图所示相位关系的系统，其相位是稳定的，相位关系的系统，其相位是稳定的，故相位稳定条件为：故相位稳定条件为：0offf要使振荡系统满足相位稳定条件，系统内应含有某一要使振荡系统满足相位稳定条件，系统内应含有某一相频特相频特性具有负斜率性具有负斜率的单元，在

20、的单元，在LC振荡器中这种负斜率变化的功能振荡器中这种负斜率变化的功能恰好可以由恰好可以由LC并联谐振回路来完成。并联谐振回路来完成。为了抵消不稳定因素引入的相移增量，要求系统的振荡频率为了抵消不稳定因素引入的相移增量，要求系统的振荡频率有相应的偏移，两者之间产生了频差有相应的偏移，两者之间产生了频差 。f显然，这是不希望的。为此必须加大显然，这是不希望的。为此必须加大LC回路的有载回路的有载Q值，值，因为当因为当Q值提高时，回路相频特性斜率也相应加大。这样，值提高时，回路相频特性斜率也相应加大。这样，要产生同样的相位增量，只需较小的频率偏移，从而提高要产生同样的相位增量，只需较小的频率偏移，

21、从而提高了系统的频率稳定性。了系统的频率稳定性。Monday,August 01,2022通信电路原理-北航06年221bR2bReReCCCVCiBiEiBEvBEvBEvCi00mgBVthVBVtQ（P268）自给偏置电路和振荡波形：自给偏置电路和振荡波形：bC23合理选择元件的参数值，使起振前电路的静态工作点合理选择元件的参数值，使起振前电路的静态工作点Q位于位于伏安特性段的中点。伏安特性段的中点。在振荡最初阶段，由于振荡幅度较小，振荡器工作于甲类状在振荡最初阶段，由于振荡幅度较小，振荡器工作于甲类状态，偏置电压基本上为一与振荡幅度增长无关的恒定值。态，偏置电压基本上为一与振荡幅度增长

22、无关的恒定值。随着振荡幅度的增加，即动态特性区域扩大，振荡将部分进随着振荡幅度的增加，即动态特性区域扩大，振荡将部分进入非线性区，导致基极电流、集电极电流畸变，而形成直流入非线性区，导致基极电流、集电极电流畸变，而形成直流电流增量，并导致工作点向负偏压方向移动，集电极电流由电流增量，并导致工作点向负偏压方向移动，集电极电流由余弦形变为余弦脉冲。余弦形变为余弦脉冲。随着振荡幅度的增加，通角随着振荡幅度的增加，通角 将减小，将减小，gm将减小，从而使得将减小，从而使得基波电流幅度和晶体管增益基波电流幅度和晶体管增益A减小，直至减小，直至AF=1，电路进入平，电路进入平衡状态。上图示出振荡器的起振过

23、程。衡状态。上图示出振荡器的起振过程。自给偏置的设置加速了振荡进入平衡状态的过程。自给偏置的设置加速了振荡进入平衡状态的过程。24 0IvF1F1APP1234bv（P268）增加上图示出考虑自给偏置影响后，振荡器由起振到平衡的状态变上图示出考虑自给偏置影响后，振荡器由起振到平衡的状态变化过程。振荡器动态工作点的轨迹不是沿图中的实线由起振到化过程。振荡器动态工作点的轨迹不是沿图中的实线由起振到达平衡点达平衡点P而是沿虚线到达而是沿虚线到达 点。点。P自给偏置的设置加速了振荡进入平衡状态的过程。由上图还可看自给偏置的设置加速了振荡进入平衡状态的过程。由上图还可看出，由于在平衡点，虚线的负斜率，比

24、任何恒定偏置的实曲线的出，由于在平衡点，虚线的负斜率，比任何恒定偏置的实曲线的负斜率都大。因此也有利于改善振荡器的稳定性。负斜率都大。因此也有利于改善振荡器的稳定性。Monday,August 01,2022通信电路原理-北航06年25振荡器的起振条件：振荡器的起振条件：AF 1。振荡器的平衡条件：振荡器的平衡条件：振幅平衡条件：振幅平衡条件：AF=1。相位平衡条件：相位平衡条件：nFA2振荡器的稳定条件：振荡器的稳定条件：振幅稳定条件：振幅稳定条件：0PIdvdA相位稳定条件：相位稳定条件：0offf振荡器的起振振荡器的起振、平衡和稳定条件的分析：、平衡和稳定条件的分析：Monday,Aug

25、ust 01,2022通信电路原理-北航06年26振荡器的自给偏置加固定偏置电路的分析：振荡器的自给偏置加固定偏置电路的分析：起振前电路的静态工作点起振前电路的静态工作点Q位于伏安特性段的中点，位于伏安特性段的中点，振荡器工作于甲类状态，便于起振振荡器工作于甲类状态，便于起振。自给偏置导致工作点向负偏压方向移动，集电极电自给偏置导致工作点向负偏压方向移动，集电极电流由余弦形变为余弦脉冲形。流由余弦形变为余弦脉冲形。自给偏置的设置加速了振荡进入平衡状态的过程。自给偏置的设置加速了振荡进入平衡状态的过程。Monday,August 01,2022通信电路原理-北航06年27画出互感反馈振荡器的高频

26、等效电路。要使电路能产生振荡，画出互感反馈振荡器的高频等效电路。要使电路能产生振荡，请注明互感线圈各同名端的位置。请注明互感线圈各同名端的位置。LC0CeC1R2ReRCCVbC321eR1R2RCCV0C0CbCeCCL图（图（A）图（图（B）Monday,August 01,2022通信电路原理-北航06年28画出互感反馈振荡器的高频等效电路。要使电路能产生振荡，画出互感反馈振荡器的高频等效电路。要使电路能产生振荡，请注明互感线圈各同名端的位置。请注明互感线圈各同名端的位置。LC0CeC1R2ReRCCVbC图（图（C）Monday,August 01,2022通信电路原理-北航06年29

27、，-Monday,August 01,2022通信电路原理-北航06年30画出互感反馈振荡器的高频等效电路。要使电路能产生振荡，画出互感反馈振荡器的高频等效电路。要使电路能产生振荡，请注明互感线圈各同名端的位置。请注明互感线圈各同名端的位置。返回返回eR1R2RCCV0C0CbCeCCL图（图（A）CLMonday,August 01,2022通信电路原理-北航06年31画出互感反馈振荡器的高频等效电路。要使电路能产生振荡，画出互感反馈振荡器的高频等效电路。要使电路能产生振荡，请注明互感线圈各同名端的位置。请注明互感线圈各同名端的位置。LC0CeC1R2ReRCCVbC321返回返回图（图（B

28、）LCeRbC321Monday,August 01,2022通信电路原理-北航06年32画出互感反馈振荡器的高频等效电路。要使电路能产生振荡，画出互感反馈振荡器的高频等效电路。要使电路能产生振荡，请注明互感线圈各同名端的位置。请注明互感线圈各同名端的位置。返回返回LC0CeC1R2ReRCCVbC图（图（C）CLMonday,August 01,2022通信电路原理-北航06年33发射机发射机缓冲级缓冲级倍频器倍频器放大级放大级调制器调制器高频高频功放功放振荡器振荡器低频低频功放功放低频低频放大放大调幅调幅发射机方框发射机方框原理原理图图Monday,August 01,2022通信电路原理-北航06年34超外差接收机超外差接收机高频高频放大放大混频器混频器中频中频放大放大解调器解调器低频低频放大放大输入输入回路回路自动自动增益增益控制控制本地本地振荡器振荡器Monday,August 01,2022通信电路原理-北航06年35电子测量设备电子测量设备Monday,August 01,2022通信电路原理-北航06年36微波炉微波炉